MỸ – Một nhóm các nhà nghiên cứu do Đại học Northwestern (Northwestern University) đứng đầu, đã phát triển một loại thiết bị đeo mới có khả năng kích thích da, giúp mang lại nhiều cảm giác khác nhau.

Một người dùng thiết bị đeo mới trên cổ để nhận các phản hồi cảm giác

Thiết bị mỏng, linh hoạt này nhẹ nhàng bám vào da, mang lại trải nghiệm cảm giác chân thực và thu hút hơn. Mặc dù thiết bị phù hợp với các trò chơi và thực tế ảo (VR – virtual reality), các nhà nghiên cứu đã chú ý đến các ứng dụng trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Ví dụ, thiết bị có thể giúp những người khiếm thị có thể cảm nhận được môi trường xung quanh hoặc cung cấp phản hồi cho những người có chân tay giả.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature.

Thiết bị là tiến bộ mới nhất trong công nghệ đeo được của nhà nghiên cứu tiên phong về điện tử sinh học của đại học Northwestern, ông John A. Rogers. Nghiên cứu này dựa trên công trình được công bố năm 2019 trên tạp chí Nature, trong đó nhóm của ông đã giới thiệu “epidermal VR”, một hệ thống đeo tiếp xúc với da, truyền cảm ứng thông qua một loạt các bộ truyền động rung thu nhỏ trên các vùng da rộng lớn, với khả năng điều khiển không dây tốc độ cao.

Ông John đã chia sẻ: “Các bộ truyền động thu nhỏ mới của chúng tôi dành cho da có khả năng hơn nhiều so với các thiết bị ‘buzzer’ (1) đơn giản mà chúng tôi đã sử dụng làm phương tiện trình bày trong bài báo gốc năm 2019 của mình. Cụ thể, những thiết bị nhỏ bé này có thể cung cấp lực được kiểm soát trên nhiều tần số, cung cấp lực liên tiếp mà không cần sử dụng năng lượng một cách liên tục. Một phiên bản khác cho phép các bộ truyền động cung cấp chuyển động xoắn nhẹ nhàng trên bề mặt da, nhằm bổ sung cho khả năng cung cấp lực theo chiều dọc, tăng thêm tính chân thực cho các cảm giác”.
(1) Buzzer: là một thiết bị tạo ra tiếng còi hoặc tiếng bíp.

Ông John là Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Kỹ thuật Y sinh và Phẫu thuật Thần kinh tại Trung tâm nghiên cứu y sinh Louis A. Simpson and Kimberly Querrey, liên kết với Trường Kỹ thuật McCormick và Trường Y khoa Feinberg thuộc Đại học Northwestern. Ông đồng thời quản lý Viện Querrey Simpson Institute for Bioelectronics.

Giáo sư John đồng dẫn đầu công trình với Giáo sư Yonggang Huang thuộc đại học Northwestern, Giáo sư Jan và Marcia Achenbach về kỹ thuật cơ khí tại trường McCormick; Tiến sĩ Hanqing Jiang thuộc Đại học Westlake ở Trung Quốc; và Giáo sư Zhaoqian Xie thuộc Đại học Công nghệ Đại Liên (Dalian University of Technology) ở Trung Quốc. Nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Hanqing đã xây dựng các cấu trúc sửa đổi nhỏ cần thiết để cho phép chuyển động xoắn.

Tận dụng năng lượng được lưu trữ trong da
Thiết bị mới bao gồm một mảng lục giác gồm 19 bộ truyền động từ với kích thước nhỏ, được bao bọc trong một vật liệu silicon dạng lưới mỏng và linh hoạt. Mỗi bộ truyền động có thể mang lại những cảm giác khác nhau, bao gồm áp suất, rung động và xoắn. ​​Sử dụng công nghệ bluetooth trong điện thoại thông minh, thiết bị nhận dữ liệu về môi trường xung quanh của một người để chuyển thành phản hồi xúc giác – thay thế một cảm giác (như thị giác) bằng một cảm giác khác (chạm).

Mặc dù thiết bị được cung cấp năng lượng bởi một pin nhỏ, nhưng nó tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng thiết kế “bi-stable” thông minh. Điều này có nghĩa là nó có thể duy trì ở hai vị trí ổn định mà không cần năng lượng đầu vào liên tục. Khi bộ truyền động ấn xuống, nó sẽ lưu trữ năng lượng trong da và trong cấu trúc bên trong của thiết bị. Khi bộ truyền động đẩy trở lại, thiết bị sẽ sử dụng một lượng năng lượng nhỏ để giải phóng năng lượng được lưu trữ. Vì vậy, thiết bị chỉ sử dụng năng lượng khi bộ truyền động thay đổi vị trí. Với thiết kế tiết kiệm năng lượng này, thiết bị có thể hoạt động trong thời gian dài hơn chỉ với một lần sạc pin.

Ông Matthew Flavin, tác giả đầu tiên của bài báo đã nói rằng: “Thay vì chống lại da, ý tưởng cuối cùng là sử dụng năng lượng được lưu trữ trong da theo cơ chế như năng lượng đàn hồi và phục hồi năng lượng đó trong quá trình vận hành thiết bị. Giống như việc kéo căng một sợi dây cao su, việc nén da đàn hồi sẽ lưu trữ năng lượng. Sau đó, chúng ta có thể áp dụng lại năng lượng đó trong khi cung cấp phản hồi cảm giác và đó chính là cơ sở cho cách chúng ta tạo ra hệ thống tiết kiệm năng lượng này”.

Vào thời điểm nghiên cứu, ông Matthew là một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Giáo sư John. Hiện tại, ông là phó giáo sư về kỹ thuật điện và máy tính tại Viện Công nghệ Georgia (Georgia Institute of Technology).

Để xác định thiết kế tối ưu, nhóm của Giáo sư Yonggang Huang đã tiến hành mô hình tính toán có hệ thống để kiểm tra cách thiết bị tương tác với da thông qua tác động điện từ.

Giáo sư Yonggang Huang đã chia sẻ: “Điều cần thiết là thiết kế ổn định kép này có thể được áp dụng phổ biến cho mọi loại da của con người. Mô hình tính toán cho phép tối ưu hóa chính xác, đảm bảo khả năng này. Việc đạt được điều này chỉ thông qua các thí nghiệm thử và sai sẽ là điều không thể. Shupeng Li, đồng tác giả đầu tiên và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm của tôi, đã dẫn đầu nỗ lực lập mô hình này”.

Thiết bị bao gồm một mảng lục giác gồm 19 bộ truyền động, cung cấp phản hồi xúc giác

Thay thế cảm giác
Để thử nghiệm thiết bị, các nhà nghiên cứu đã bịt mắt những người khỏe mạnh để kiểm tra khả năng tránh các vật cản trên đường đi, thay đổi vị trí đặt chân để tránh chấn thương và thay đổi tư thế để cải thiện khả năng giữ thăng bằng.

Một thí nghiệm liên quan đến một đối tượng di chuyển qua một con đường có các vật cản. Khi đối tượng tiếp cận một vật thể, thiết bị sẽ cung cấp phản hồi dưới dạng cường độ ánh sáng ở góc trên bên phải của nó. Khi người đó di chuyển gần hơn đến vật thể, phản hồi trở nên mạnh hơn, di chuyển gần hơn đến trung tâm của thiết bị.

Chỉ trong thời gian hướng dẫn nhanh, những người sử dụng thiết bị đã có thể thay đổi hành vi theo thời gian thực. Bằng cách thay thế thông tin trực quan bằng thông tin cơ học, Phó giáo sư Matthew Flavin đã nói rằng: “Thiết bị sẽ hoạt động giống với cách một cây gậy trắng (2) hoạt động, nhưng nó tích hợp nhiều thông tin hơn so với những gì một người có thể nhận được bằng một thiết bị hỗ trợ thông thường”.
(2) Cây gậy trắng (white cane): là một chiếc gậy dài, thường có màu trắng, được sử dụng chủ yếu bởi những người khiếm thị hoặc có vấn đề về thị lực.

Giáo sư John chia sẻ: “Là một trong số nhiều ví dụ ứng dụng, chúng tôi chứng minh rằng hệ thống này có thể hỗ trợ phiên bản cơ bản của ‘vision’ dưới dạng các mẫu xúc giác được truyền đến bề mặt da dựa trên dữ liệu thu thập được bằng chức năng hình ảnh 3D (LiDAR) có trên điện thoại thông minh. Loại thiết bị ‘sensory substitution’ (tạm dịch là ‘thay thế cảm giác’) này cung cấp cảm giác cơ bản nhưng có ý nghĩa về mặt chức năng về môi trường xung quanh mà không cần dựa vào thị lực – một khả năng hữu ích cho những người bị suy giảm thị lực”.

Tiêu đề của dự án nghiên cứu là “Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution”.

Để xem các tin bài khác về “Thiết bị đeo”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online